專利名稱：一種用于控制紅外探測(cè)器冷卻用的熱開(kāi)關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及記憶熱開(kāi)關(guān)，具體是指一種用于控制空間紅外探測(cè)器冷卻用的熱開(kāi)關(guān)。
目前國(guó)內(nèi)、外已有的用于空間的熱開(kāi)關(guān)主要有以下二種類型1.接觸式熱開(kāi)關(guān)A.早期的接觸式熱開(kāi)關(guān)美國(guó)在一九六六年五月到一九六八年一月之間發(fā)射的七個(gè)Surveyor系列的飛船中，控制紅外平臺(tái)的制冷采用往復(fù)式的接觸熱開(kāi)關(guān)，它利用熱金屬條的熱敏感性使得接觸塞產(chǎn)生上下移動(dòng)，當(dāng)接觸塞與輻射蓋接觸時(shí)，熱通路打開(kāi)，反之關(guān)閉。這種形式的接觸式熱開(kāi)關(guān)有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且接觸熱阻較大。
B.為了簡(jiǎn)化上述接觸式熱開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)，并且提高其工作性能，斯維爾空間實(shí)驗(yàn)室提出了一種新的熱開(kāi)關(guān)。這種新穎的熱開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單，主要有三部分組成薄壁不銹鋼鋼管，兩個(gè)一大一小的圓柱形的鈹制圓盤。其工作原理是利用兩種不同材料不銹鋼和鈹?shù)呐蛎浭湛s率不同，從而實(shí)現(xiàn)熱開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，如

圖1所示。這種形式的熱開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)是由于不銹鋼與鈹膨脹收縮率的差異有限，因此產(chǎn)生的間隙很小，只有0.05-0.13mm，這樣使得裝置的斷開(kāi)熱阻較小，冷損嚴(yán)重。其次是鈹金屬有放射性，加工較為困難。
C.美國(guó)空間動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)出了一種熱開(kāi)關(guān)的樣機(jī)，這種熱開(kāi)關(guān)的工作原理同樣也是利用不同金屬熱效應(yīng)的差異制成的。它的缺點(diǎn)也是由于間隙過(guò)小造成的斷開(kāi)熱阻過(guò)小，冷損嚴(yán)重。
2氣隙式熱開(kāi)關(guān)NASA研制了一個(gè)用于2K溫度的熱開(kāi)關(guān)，它主要是利用在兩導(dǎo)熱片之間的充氣和抽氣來(lái)使得整個(gè)熱開(kāi)關(guān)的兩極之間的熱導(dǎo)率有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化，實(shí)現(xiàn)熱開(kāi)關(guān)的“開(kāi)”和“關(guān)”的功能。不足之處是它要加工一個(gè)0.01mm的氣隙，工藝要求極高；同時(shí)由于氣體的存在，它對(duì)裝置的密封要求較高；氣隙式熱開(kāi)關(guān)主要適用于極低溫環(huán)境，像磁制冷中0.1K的溫度，不適用于50-100K這一溫區(qū)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，熱開(kāi)關(guān)包括記憶合金彈簧、普通小彈簧、鼓形導(dǎo)熱銅片、冷頭以及導(dǎo)熱塊。記憶合金彈簧套在小彈簧外，小彈簧的二頭分別套在二個(gè)凸臺(tái)的臺(tái)階上，凸臺(tái)底圓有一徑向通孔，記憶合金彈簧的二頭彈簧絲分別穿入二個(gè)凸臺(tái)的徑向通孔，并與通孔固接，構(gòu)成一個(gè)受溫度感應(yīng)的彈性體。該彈性體嵌入鼓形導(dǎo)熱銅片內(nèi)，其上下二端分別通過(guò)螺釘與冷頭和導(dǎo)熱塊連接，由此構(gòu)成一個(gè)熱開(kāi)關(guān)。
記憶合金彈簧起著感應(yīng)溫度，產(chǎn)生收縮力的作用；普通小彈簧的作用有兩個(gè)，一.輔助記憶合金彈簧運(yùn)動(dòng)，提供拉伸力；二.提供導(dǎo)熱塊與紅外平臺(tái)的最佳接觸力；鼓形導(dǎo)熱銅片主要起到導(dǎo)熱作用，同時(shí)還可隨著彈簧的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)；冷頭是為了便于與冷源的連接；導(dǎo)熱塊是為了與冷卻平臺(tái)的良好熱接觸。
本發(fā)明的熱開(kāi)關(guān)工作過(guò)程如下自由狀態(tài)即鼓形銅片的加工狀態(tài)。
發(fā)射環(huán)境狀態(tài)由于處于拉伸狀態(tài)記憶合金彈簧提供的回復(fù)力作用，小彈簧處于壓縮狀態(tài)，此時(shí)熱開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)。
低溫工作狀態(tài)當(dāng)周圍環(huán)境溫度達(dá)到220K左右時(shí)，記憶合金彈簧開(kāi)始軟化，其力無(wú)法克服小彈簧的彈力，小彈簧帶動(dòng)導(dǎo)熱塊向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)溫度達(dá)到150K左右時(shí)，導(dǎo)熱塊與冷卻平臺(tái)完全接觸，其接觸力由仍處于壓縮狀態(tài)的小彈簧提供，此時(shí)熱開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)，冷量通過(guò)熱開(kāi)關(guān)由冷源傳到冷卻平臺(tái)。當(dāng)制冷機(jī)停止工作，工作溫度回升到150K左右，記憶合金彈簧產(chǎn)生回復(fù)力，當(dāng)溫度高于220K，熱開(kāi)關(guān)重新處于斷開(kāi)狀態(tài)，冷量傳遞終止，熱開(kāi)關(guān)又回到常溫狀態(tài)。
本發(fā)明有如下效果1.由于本發(fā)明采用高可靠性的記憶合金材料，因此，開(kāi)關(guān)隨溫度變化反應(yīng)靈敏。
2.運(yùn)動(dòng)行程大，可達(dá)1mm，有效的增大了斷開(kāi)熱阻(斷開(kāi)熱阻＞1000K/W)，從而減少了冷損(導(dǎo)熱溫差＜4K/W)。
3.外觀精巧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明中我們使用了兩種材料的彈簧。小彈簧采用普通的碳素合金鋼材料；記憶合金彈簧為記憶合金材料，此種材料具有記憶合金效應(yīng)。所謂形狀記憶效應(yīng)是由于馬氏體相變?cè)斐傻?。?dāng)溫度降低到某一溫度Ms，在合金母相(常為奧氏體)中開(kāi)始馬氏體相變，Ms稱為馬氏體開(kāi)始溫度；隨著溫度的進(jìn)一步降低，馬氏體量逐漸增多，直到Mf溫度，馬氏體相變終止，Mf稱為馬氏體相變終止溫度。當(dāng)記憶合金由低溫開(kāi)始升溫，到達(dá)As溫度，馬氏體開(kāi)始向母相轉(zhuǎn)變，As稱為馬氏體逆相變開(kāi)始溫度；溫度繼續(xù)升高，馬氏體量逐漸減少，當(dāng)溫度到達(dá)Af時(shí)，馬氏體向母相的轉(zhuǎn)變結(jié)束，Af稱為馬氏體逆向變的終止溫度。Ms、Mf、As、Af對(duì)記憶合金的應(yīng)用十分重要。根據(jù)熱開(kāi)關(guān)應(yīng)用的實(shí)際情況，用于熱開(kāi)關(guān)的形狀記憶合金馬氏體向母相轉(zhuǎn)變終止溫度Af要求等于或低于發(fā)射環(huán)境溫度，Mf高于機(jī)械制冷機(jī)正常工作時(shí)記憶合金使用溫度。只有滿足上述溫度條件，記憶合金在發(fā)射環(huán)境溫度下處在母相，當(dāng)機(jī)械制冷機(jī)開(kāi)機(jī)后，開(kāi)始馬氏體相變轉(zhuǎn)變，在機(jī)械制冷機(jī)正常工作時(shí)，記憶合金處于安全馬氏體狀態(tài)。本發(fā)明選用NiTi記憶合金作為首選材料，NiTi形狀記憶合金性能穩(wěn)定，可逆應(yīng)變大，循環(huán)次數(shù)對(duì)記憶性能衰退的影響較小，實(shí)際應(yīng)用十分有利。本發(fā)明中記憶合金材料的相變溫度為As＞150K，Af＜220K，Ms＜220K，Mf＞150K。
本發(fā)明中的鼓形銅片設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到力學(xué)及熱學(xué)要求，通過(guò)有限元分析，得出鼓形結(jié)構(gòu)較為適宜，這樣便于開(kāi)關(guān)動(dòng)作及導(dǎo)熱，見(jiàn)圖3。圖3中的501為自由狀態(tài)即鼓形銅片的加工狀態(tài)，其高度為15mm；發(fā)射環(huán)境狀態(tài)502高度為13mm；低溫狀態(tài)503高度為14mm?？紤]到熱學(xué)要求，本發(fā)明中的零件材料除記憶合金彈簧和小彈簧外，均采用紫銅。
權(quán)利要求
1.一種用于控制紅外探測(cè)器冷卻用的熱開(kāi)關(guān)，包括記憶合金彈簧(3)、小彈簧(4)、鼓形導(dǎo)熱銅片(5)、冷頭(7)以及導(dǎo)熱塊(1)，其特征在于記憶合金彈簧(3)套在小彈簧(4)外，小彈簧的二頭分別套在二個(gè)凸臺(tái)(2)的臺(tái)階(201)上，凸臺(tái)底圓有一徑向通孔(202)，記憶合金彈簧的二頭彈簧絲分別穿入二個(gè)凸臺(tái)的徑向通孔(202)，并與通孔固接，構(gòu)成一個(gè)受溫度感應(yīng)的彈性體，該彈性體嵌入鼓形導(dǎo)熱銅片(5)內(nèi)，其上下二端分別通過(guò)二個(gè)螺釘(6)與冷頭(7)和導(dǎo)熱塊(1)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1一種用于控制紅外探測(cè)器冷卻用的熱開(kāi)關(guān)，其特征在于所說(shuō)的記憶合金彈簧(3)為記憶合金材料制成，如NiTi；小彈簧(4)為碳素合金鋼材料制成，其余另件均為紫銅材料制成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于控制紅外探測(cè)器冷卻用的熱開(kāi)關(guān)，包括記憶合金彈簧、普通小彈簧、鼓形導(dǎo)熱銅片、冷頭以及導(dǎo)熱塊。記憶合金彈簧起著感應(yīng)溫度，產(chǎn)生收縮力的作用；普通小彈簧輔助記憶合金彈簧運(yùn)動(dòng)，提供拉伸力并提供導(dǎo)熱塊與冷卻平臺(tái)的最佳接觸力；鼓形導(dǎo)熱銅片主要起到導(dǎo)熱作用，同時(shí)還可隨著彈簧的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)；冷頭是為了便于與冷源的連接；導(dǎo)熱塊是為了與冷卻平臺(tái)的良好熱接觸。本發(fā)明的最大優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)行程大，可達(dá)1mm，有效的增大了斷開(kāi)熱阻，從而減少了冷損。熱開(kāi)關(guān)外觀精巧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H01H37/74GK1412802SQ0215089
公開(kāi)日2003年4月23日 申請(qǐng)日期2002年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月28日
發(fā)明者尤建鋼, 董德平, 王維揚(yáng), 王閃岡, 李忠, 楊曉峰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所